CN103674829A - 一种离体角膜生物力学性能参数的测量方法及测量平台 - Google Patents

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包芳军
刘长江
黄锦海
邵志达
王勤美
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Abstract

本发明涉及一种离体角膜生物力学性能参数的测量方法及测量平台，测量方法包括一固定角膜样本，并喷洒粉末；二连续施压使角膜样本发生形变，记录压力值；三记录粉末颗粒间距离变化；四计算角膜样本表面各区域的三维形变；五通过通用本构方程计算生物力学性能参数，测量平台包括安装平台，其上安装角膜固定装置，角膜固定装置内设有内腔，所述内腔的一端设有用于夹持角膜样本的夹持端，内腔的另一端与压力装置连接，角膜固定装置前端设置拍摄设备，所述压力装置与压力传感器连接，通过压力装置与压力传感器对角膜样本进行压力监控，并通过拍摄设备记录角膜样本的形变，实现角膜本构参量区域差异的测量，为相关角膜疾病的诊断和治疗提供参考。

Description

一种离体角膜生物力学性能参数的测量方法及测量平台
技术领域
本发明涉及一种离体角膜生物力学性能参数的测量方法及测量平台，具体涉及一种可测量角膜本构参量区域差异的角膜生物力学性能的测量方法和测量平台。
背景技术
圆锥角膜是临床较为常见的眼科疾病，可产生高度不规则近视散光和不同程度的视力损害，欧美国家的发病率为0.01%~0.05%，日本为0.07%~0.08%，但我国尚缺乏流行病学资料。作为重要的生物学属性，角膜生物力学性能可直接影响角膜外形，进而影响角膜的屈光状态与光学成像质量。研究表明圆锥角膜的发生发展与角膜的区域性生物力学性能改变密切相关，多在角膜颞下方发生厚度变薄、力学性能变弱的病理改变，在眼内压作用下向外膨隆扩张导致病症的发生。角膜组织的生物力学性能常使用本构参量来进行定量描述，其测量结果浮动范围较大，与实验依托平台密切相关。离体角膜膨胀实验平台基本延续了角膜的椭球外形，维持了角膜的结构完整性，保持了其生理受力方式，是相对较为接近角膜生理状态的一种测量方法。但现有离体角膜膨胀实验平台仍存在测量区域小无法提供全角膜生物力学性能区域差异分布的缺点。
发明内容
为了解决现有角膜生物力学性能测量平台中无法测量角膜生物力学性能区域差异分布的问题，本发明提供一种离体角膜生物力学性能的测量方法及测量平台，测量角膜本构参量的区域差异，为相关角膜疾病的诊断和治疗提供参考。
本发明所采用的技术方案是：一种离体角膜生物力学性能参数的测量方法，其包括以下步骤：
一、     将角膜样本固定在角膜固定装置上，并在角膜样本上喷洒不透明的且不与角膜发生化学反应的粉末；
二、     通过注射泵装置控制角膜固定装置内的压力变化，连续施压使角膜样本发生形变，并通过压力传感器记录压力值；
三、     采用拍摄设备记录角膜形变时、喷洒在角膜样本上的粉末颗粒之间距离变化；
四、     通过数字散斑技术计算角膜样本表面各区域的三维形变；
五、     通过步骤二中得到的压力值与角膜样本形变数据采用通用本构方程计算得到离体角膜各区域的生物力学性能参数，所述通用本构方程为
                                                                             
一种离体角膜生物力学性能参数的测量平台，其包括安装平台，所述安装平台上固定安装用于固定角膜样本的角膜固定装置，所述角膜固定装置内设有内腔，所述内腔的一端设有用于夹持角膜样本的夹持端，所述内腔的另一端与存有压力介质的压力装置连接，所述角膜固定装置前端设置用于记录角膜样本形变的拍摄设备，所述压力装置与压力传感器连接。
所述夹持端包括夹持端底部件和与之相适配的夹持端顶部件。
所述内腔上还设有用于排气的第一排气阀。
所述拍摄设备包括相机固定架以及高速相机。
所述高速相机为两个，彼此相隔5-10度排列在角膜固定装置前端。
所述压力装置采用注射泵装置。
所述压力装置采用磷酸盐缓冲液作为压力介质。
所述步骤二中采用的不透明的且不与角膜发生化学反应的粉末为碳末。
本发明的有益效果是：通过压力装置与压力传感器对角膜样本进行压力监控，并通过拍摄设备记录角膜样本的形变，实现角膜本构参量区域差异的测量，为相关角膜疾病的诊断和治疗提供参考。
附图说明
图1为本发明的主视图。
图2为本发明的侧视图。
图3为本发明的角膜固定装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：
一种离体角膜生物力学性能参数的测量方法，其包括以下步骤：
一、将角膜样本固定在角膜固定装置上，并在角膜样本上喷洒不透明的且不与角膜发生化学反应的粉末；
二、通过注射泵装置控制角膜固定装置内的压力变化，连续施压使角膜样本发生形变，并通过压力传感器记录压力值；
三、采用拍摄设备记录角膜形变时、喷洒在角膜样本上的粉末颗粒之间距离变化；
四、通过数字散斑技术计算角膜样本表面各区域的三维形变；
所述数字散斑技术又称数字图像相关技术，它是利用数学相关方法来分析受载荷作用下的式样表面数字图像（物体表面的随机分布的散斑点记录在数字图像中）数据，即利用数字图像的灰度值模式来精确测定变形（位移）。它不同于干涉测量方法（如激光全息法、电子散斑法），数字散斑法具有光路简单，对测量环境要求低、光源要求低（激光、普通自然白光或者普通照明均可）、对测量范围可以任意指定等特点。如果与高倍数显微镜或具有加载装置的扫描电子显微镜连用，还可以进行微米乃至纳米尺度的变形测量。
而数字散斑技术测量变形的关键问题是对两个散斑场（变形前的参考散斑场以及变形后的散斑场）进行相关运算，当散斑场发生位移时，首先在变形场前的散斑图上选定能反映待测位移信息的子区，然后在变形后的相关区域内利用相同大小的子区作相关搜索，找出最大的相关点的位置，两点的坐标位移差值就是待测点的变形位移。
角膜样本在发生压力形变的时候，其表面的不透明的且不与角膜发生化学反应的粉末经过拍摄设备成像并被连续记录成数字图片格式。选定参考图像和目标图像，利用编制的数字相关运算软件对指定区域进行相关运算得到变形分布通过可视化软件可以得到变形场，而进一步通过数值微分可以得到应变场分布，根据拍摄设备成像系统的精度和图像采集的速度，数字散斑相关方法在空间尺度上可以深入到微米乃至纳米尺度，在速度上可以涵盖准静态到动态范围的变形测量，而多个拍摄设备的连用又可以进行三维变形测量，实现通过数字散斑技术计算角膜样本表面各区域三维形变的目的。
五、通过步骤二中得到的压力值与角膜样本形变之间的通用本构方程计算得到离体角膜各区域的生物力学性能参数。
应力和应变之间的关系称为本构关系，其函数方程为本构方程，用于描述生物组织的生物力学性能或材料性能，方程的参量组成称为本构参量。
选用Ogden方程作为角膜组织的通用本构方程，
Figure 2013105971290100002DEST_PATH_IMAGE002
。
本构参量α和μ作为材料常数分别代表应变硬化指数和剪切模量，两者共同决定方程所能描述的应力应变曲线形态。角膜样本各区域使用Ogden方程分别设置生物材料属性，将数字散斑技术所得角膜各区域的形变数据作为目标值，收敛规则为角膜样本各区域在各个压力段的模拟形变量和数字散斑技术所得的实际形变量的均方根(RMS)最小，借助优化软件及有限元分析软件反复迭代运算得到可准确描述各区域角膜组织力学关系的本构参量α和μ的计算结果，从而得出离体角膜各区域的生物力学性能参数。
如图1和图2所示，一种离体角膜生物力学性能参数的测量平台，其包括安装平台，所述安装平台上固定安装用于固定角膜样本的角膜固定装置，所述角膜固定装置内设有内腔12，所述内腔12的一端设有用于夹持角膜样本的夹持端，所述内腔的另一端与存有压力介质的压力装置连接，所述角膜固定装置前端设置用于记录角膜样本形变的拍摄设备，所述压力装置与压力传感器连接。
所述夹持端包括夹持端底部件10和与之相适配的夹持端顶部件9，所述包含部分环形巩膜组织的角膜样本5置于夹持端底部件10上，然后通过夹持端顶部件9将其固定，所述夹持端底部件10和夹持端顶部件9中间开有与角膜样本5直径相同的以供角膜样本5露出的孔径，夹持端顶部件9和夹持端底部件10通过夹持角膜样本5周边相连的巩膜组织将其固定，而夹持端底部件10上的孔径与内腔12相通，供压力装置注射压力，使角膜样本5发生形变。
所述内腔12上还设有用于排气的第一排气阀11，用于排出内腔内的空气。
所述拍摄设备包括相机固定架2以及高速相机3，采用多个拍摄设备可以进行三维变形测量，实现通过数字散斑技术计算角膜样本表面各区域三维形变的目的。
所述高速相机3为两个，彼此相隔5-10度排列在角膜固定装置1前端。
所述压力装置采用注射泵装置4。所述注射泵装置4采用磷酸盐缓冲液作为压力介质，所述磷酸盐缓冲液采用粉兑水形成，其主要成分为无水磷酸二氢钠、无水磷酸氢二钠和氯化钠，其通过兑水形成溶液，所述磷酸盐缓冲液的PH值在7.4-7.6之间。
角膜固定装置1装配于安装平台中央，角膜样本5前表面喷洒粉末，该粉末采用黑色的不与角膜样本发生化学反应的黑色粉末，所述步骤二中采用的不透明的且不与角膜发生化学反应的粉末为碳末，因为角膜样本表面没有特征点，很难识别。但如果喷上黑色粉末，形变的过程中可以发现角膜样本表面的粉末颗粒之间距离发生改变，通过数字散斑技术就可以计算其形变。角膜样本5固定于角膜固定装置1中夹持端顶部件9与夹持端底部件10之间，以角膜固定装置1的中心位置作为圆心，高速相机3按特定角度(彼此相隔5~10度)分布在角膜前方并固定在相机固定架构2上。注射泵装置4内含有磷酸盐缓冲液，通过十字软管7一端与角膜固定装置1相连，十字软管7的另一端与压力传感器6相连。通过与十字软管7相连的第二排气阀8排气后，注射泵装置4通过缓慢推注磷酸盐缓冲液改变角膜固定装置1内的压力，使得角膜发生形变；压力传感器6实时记录角膜固定装置1内压力变化，分布于角膜前方的高速相机3在压力改变过程中实时拍摄角膜形态变化。通过数字散斑技术计算角膜表面各区域的三维形变，再根据施加压力与角膜形变之间的定量关系计算得到离体角膜各区域的生物力学性能参数，为相关角膜疾病的诊断和治疗提供参考。
以上结合附图所描述的实施例仅是本发明的优选实施方式，而并非对本发明的保护范围的限定，任何基于本发明精神所做的改进都理应在本发明保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种离体角膜生物力学性能参数的测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：
一、将角膜样本固定在角膜固定装置上，并在角膜样本上喷洒不透明的且不与角膜发生化学反应的粉末；
二、通过压力装置控制角膜固定装置内的压力变化，连续施压使角膜样本发生形变，并通过压力传感器记录压力值；
三、采用拍摄设备记录角膜形变时、喷洒在角膜样本上的粉末颗粒之间的距离变化；
四、通过数字散斑技术计算角膜样本表面各区域的三维形变；
五、通过步骤二中得到的压力值与角膜样本形变数据采用通用本构方程计算得到离体角膜各区域的生物力学性能参数，所述通用本构方程为
                                                     
Figure 332298DEST_PATH_IMAGE001
                     
    。   
2.一种离体角膜生物力学性能参数的测量平台，其包括安装平台，其特征在于：所述安装平台上固定安装用于固定角膜样本的角膜固定装置，所述角膜固定装置内设有内腔，所述内腔的一端设有用于夹持角膜样本的夹持端，所述内腔的另一端与存有压力介质的压力装置连接，所述角膜固定装置前端设置用于记录角膜样本形变的拍摄设备，所述压力装置与压力传感器连接。
3.根据权利要求2所述的离体角膜生物力学性能参数的测量平台，其特征在于，所述夹持端包括夹持端底部件和与之相适配的夹持端顶部件。
4.根据权利要求2所述的离体角膜生物力学性能参数的测量平台，其特征在于，所述内腔上还设有用于排气的第一排气阀。
5.根据权利要求2所述的离体角膜生物力学性能参数的测量平台，其特征在于，所述拍摄设备包括相机固定架以及高速相机。
6.根据权利要求5所述的离体角膜生物力学性能参数的测量平台，其特征在于，所述高速相机为两个，彼此相隔5-10度排列在角膜固定装置前端。
7.根据权利要求2所述的离体角膜生物力学性能参数的测量平台，其特征在于，所述压力装置采用注射泵装置。
8.根据权利要求2或7所述的离体角膜生物力学性能参数的测量平台，其特征在于，所述压力装置采用磷酸盐缓冲液作为压力介质。
9.根据权利要求1所述的离体角膜生物力学性能参数的测量平台，其特征在于，所述步骤二中采用的不透明的且不与角膜发生化学反应的粉末为碳末。
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